JP3252386B2 - シリコン単結晶ウェーハの製造方法 - Google Patents
シリコン単結晶ウェーハの製造方法Info
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Description
れるシリコン単結晶ウェーハをチョクラルスキー法(C
Z法)により製造する方法の改良に係り、初期絶縁破壊
特性の向上のために引上げ速度を低速で行ったシリコン
単結晶ウェーハが経時絶縁破壊特性が劣る、すなわち、
ゲート酸化膜厚が薄い場合に特に経時絶縁破壊特性が劣
ることに鑑み、非酸化性雰囲気で特定の熱処理を施して
かかる問題を解消したシリコン単結晶ウェーハの製造方
法に関する。
ート酸化膜の信頼性向上が重要な課題となり、シリコン
単結晶ウェーハの酸化膜として、耐圧不良のない電気的
絶縁性の優れた高品質の酸化膜が要求されている。
は、図1に示す構造のMOSダイオードを多数形成し、
ゲート電界を階段状に増加させ、リーク電流が一定値に
達した時の電界強度で絶縁破壊強度を決定し、これを初
期絶縁破壊(time zero dielectri
c breakdown : TZDB)特性と呼ぶ
(以下TZDB特性と称す)。
壊し、経時絶縁破壊(time dependent
dielectric breakdown : TD
DB)特性と呼び(以下TDDB特性と称す)、デバイ
スの信頼性の観点からは、きわめて重要なファクターで
ある。
圧不良がシリコン単結晶の育成方法に依存することが明
らかになっており、不良低減を目的として結晶成長速度
を低速とすることが提案され、例えば、直径100mm
以上のシリコン単結晶を製造する方法において、結晶成
長速度を0.8mm/min以下とすることが提案(特
開平2−267195号公報)されている。
コン単結晶は、ウェーハを高温の酸化雰囲気で熱酸化処
理したときにリング状に発生するOSF発生領域が形成
される。結晶成長速度とリング状OSFのウェーハ内の
発生位置とは対応があり、成長速度が小さくなるにつれ
て、リング状OSFの径は小さくなり、結晶成長速度が
さらに小さくなるとリング状OSFはウェーハ中央部で
消滅する。
特性が大きく異なり、リング上OSFの外側はTZDB
特性が非常に優れており、リング状OSFの内側はTZ
DB特性の劣る部分である。ここで、低速引上結晶のT
ZDB特性がすぐれているのは、リング状OSFの径が
小さく、TZDB特性が優れているリング状OSFの外
側の面積が大きいためである(S. Shinoyam
a, M. Hasebe, and T.Yamau
chi: Oyo Buturi 60 (1991)
766)。
したときに、リング状に発生するOSF発生領域が結晶
中央部で消滅する低速引上シリコン単結晶ウェーハは、
TZDB特性は非常に良好であるが、TDDB特性はゲ
ート酸化膜厚が100〜300Åと厚い場合には不良率
は低いが、ゲート酸化膜厚が50〜70Åと薄い場合に
不良率が急増する問題があった。また、CMOS等の熱
プロセス後のTDDB特性やリーク特性も劣化するた
め、実デバイス歩留まりが低く実用化には到っていな
い。
法)により製造するシリコン単結晶ウェーハにおいて、
TZDB特性が良好な低速引上シリコン単結晶のウェー
ハの欠点を解消し、酸化膜が薄い場合及び熱プロセス後
においても、TDDB特性がすぐれているシリコン単結
晶ウェーハを得ることが可能なシリコン単結晶ウェーハ
の製造方法の提供を目的としている。
とが良好な低速引上シリコン単結晶のウェーハの欠点で
あるTDDB特性の劣化を解消するため、その原因につ
いて種々検討した結果、熱プロセス前には特性に影響を
およぼさなかったサイズの欠陥が熱プロセス中に特性に
影響を与えるサイズまで成長したためであることに着目
し、低速引上結晶中の小さなサイズの欠陥を低減あるい
は消滅させる方法についてさらに検討した結果、非酸化
性雰囲気で特定温度の熱処理を施すことにより、該欠陥
を低減消滅できることを知見し、この発明を完成した。
法によりシリコン単結晶を製造する方法において、高温
の酸化性雰囲気で熱酸化処理したときにリング状に発生
するOSF発生領域が結晶中央部で消滅する条件で引き
上げたシリコン単結晶のウェーハに、非酸化性雰囲気で
温度1000℃以上1250℃以下、時間10秒以上の
熱処理を施し、その熱処理時の昇温速度および降温速度
を1℃/秒以上とすることを特徴とする酸化膜の信頼性
の優れたシリコン単結晶ウェーハの製造方法である。
熱酸化処理したときにリング状に発生するOSF発生領
域が結晶中央部で消滅するシリコン単結晶のウェーハと
して、CZ法での引上げ速度(結晶成長速度)が0.5
mm/min以下であるウェーハを対象としている。
DB特性の劣化の原因は、欠陥サイズに対して酸化膜厚
が十分厚いときには特性に影響をおよぼさないが、酸化
膜厚が薄くなり、酸化膜に取り込まれるシリコンウェー
ハ表面のシリコン厚が欠陥サイズと同程度になったとき
にTDDB特性の劣化の原因となること、また、熱プロ
セス後のTDDB特性やリーク特性の劣化は、熱プロセ
ス前には特性に影響を及ぼさなかったサイズの欠陥が熱
プロセス中に特性に影響を与えるサイズまで成長したた
めであることを知見し、これを特定の熱処理で解消した
ことを特徴としている。
結晶ウェーハには、小さなサイズの欠陥が多いためにT
DDB特性の劣化を引き起こしており、この小さなサイ
ズの欠陥を消滅あるいは少なくすることで、TDDB特
性を向上させることができる。この発明では、低速引上
シリコン単結晶ウェーハ中の小さなサイズの欠陥を低減
あるいは消滅させるために、非酸化性雰囲気で温度90
0℃以上、1250℃以下、時間10秒以上の熱処理を
施し、その熱処理時の昇温速度およ降温速度を1℃/秒
以上とすることで、ゲート酸化膜厚が薄い場合および熱
プロセス後でもTDDB特性やリーク特性の劣化がな
く、酸化膜の信頼性が非常に優れたウェーハの製造が実
現できる。
00℃としているが、これは900℃未満では欠陥を消
滅することができないためである。また、熱処理温度の
上限を1250℃としているが、これは1250℃を越
えると、ウェーハのスリップや汚染の問題があり、冷却
条件によっては急冷凍結欠陥が新たに発生し特性に悪影
響を及ぼすことがあるからである。熱処理時間について
は下限を10秒としているが、これは熱処理時に欠陥を
収縮させるために必要な最低の時間である。熱処理時の
昇温速度および降温速度を1℃/秒以上としているの
は、これ以下の速度での昇温および降温では、温度の変
化時に欠陥が成長し、特性に悪影響をおよぼすからであ
る。
範囲は1050℃〜1200℃、好ましい熱処理時間は
2時間〜5時間である。熱処理時間の上限については特
に規定しない。しかし、非酸化性雰囲気で高温で長時間
の熱処理でウェーハ表面に無欠陥層をつくることができ
るが、長時間の処理はコストおよび生産性の問題がある
ので、ウェーハの使用されるデバイスでの熱処理条件に
より、必要に応じて時間を決定することが望ましい。ま
た、好ましい昇温および降温速度は、5℃/秒〜100
℃/秒である。
単結晶のウェーハ(直径6インチ、ボロンドープP型、
比抵抗4.5〜6Ωcm、酸素濃度14〜16×1017
atoms/cc、面方位(100))、すなわち、熱
酸化処理したときに、リング状に発生するOSF発生領
域が結晶中央部で消滅する低速引上シリコン単結晶のウ
ェーハに、熱処理炉を用いて、非酸化性雰囲気で昇温お
よび降温速度を5℃/秒として850℃から1300℃
までの温度で3時間熱処理した後のスリップの発生状
況、および図2に示すCMOSデバイスの熱プロセスに
相当する熱処理後の赤外干渉法によるウェーハ表面から
0〜10μmの領域の欠陥密度を表1に示す。表1より
1300℃の熱処理ではスリップが発生し、850℃の
熱処理では欠陥が減少しないことが分かる。
単結晶のウェーハ(直径6インチ、ボロンドープP型、
比抵抗4.5〜6Ωcm、酸素濃度14〜16×1017
atoms/cc、面方位(100))に、熱処理炉を
用いて2%の酸素を含む窒素雰囲気において昇温および
降温速度を5℃/秒として1200℃で2時間の熱処理
を施した。ウェーハの評価として、図1に示す構造のM
OSダイオードを、ゲート酸化を900℃乾燥酸素中で
行い、酸化膜厚70Å、電極としてボロンドープポリシ
リコンを5000Å厚みに、電極面積8mm2の条件で
作製した。TDDB特性の測定条件は、電流密度が1m
A/cm2、温度が室温、判定電圧が5V以下で、ゲー
ト酸化膜厚を70Åとして定電流TDDB特性を評価し
た。
Sデバイスの熱プロセスに相当する熱処理を施した後、
ゲート酸化膜厚70Åのときの定電流TDDB特性を評
価した。比較のために、熱処理なしの従来の低速引上結
晶のウェーハの評価も実施した。従来例とこの発明のウ
ェーハの評価結果をまとめて表2に示す。ここでTDD
B特性を示す20%Qbdは、累積不良率が20%に達
するまでの通過電荷量(C/cm2)であり、この値が
大きいほどTDDB特性が優れていることを示す。
が70Åの場合、従来の低速引上結晶のウェーハ(サン
プルA)では20%Qbdが70であるのに対して、こ
の発明のウェーハ(サンプルB)では150まで増加し
ている。また、CMOS熱処理後では、従来の低速引上
結晶のウェーハ(サンプルC)では20%Qbdが6で
あるのに対して、本発明のウェーハ(サンプルD)では
132まで増加している。欠陥の低減効果の確認のた
め、表2のサンプルCとDについて赤外干渉法によりウ
ェーハ表面から0〜10μmの領域を評価した。比較例
のサンプルCでは3.6×107/cm3の欠陥が観察さ
れたのに対して、本発明のサンプルDでは1.2×10
5ケ/cm3まで減少しTDDB特性との対応が見られ
た。
結晶のウェーハ(直径6インチ、ボロンドープP型、比
抵抗4.5〜6Ωcm、酸素濃度14〜16×1017a
tomos/cc、面方位(100))に、ランプアニ
ール炉を用いて窒素雰囲気において、昇温および降温速
度を100℃/秒として1100℃で20秒のランプア
ニール処理を施した。ウェーハの評価として、実施例2
と同様の測定条件で、ゲート酸化膜厚を70Åとして定
電流TDDB特性を評価した。
従来の低速引上結晶のウェーハの評価も実施した。従来
例と本発明のウェーハの評価結果をまとめて表4に示
す。表4より明らかなように、ゲート酸化膜厚が70Å
の場合、従来の低速引上結晶のウェーハ(サンプルE)
では20%Qbdが63であるのに対して、本発明のウ
ェーハ(サンプルE)では169まで増加している。
を与えるサイズまで成長する低速引上結晶中の小さなサ
イズの欠陥を、実施例に示すごとく、非酸化性雰囲気で
特定温度の熱処理を施すことにより低減消滅するもの
で、この発明の方法によればゲート酸化膜厚が薄い場
合、および熱プロセス後でもTDDB特性の優れたシリ
コン単結晶ウェーハが得られ、特に高性能デバイス用と
して従来では得られなかった高品質のウェーハを容易に
得ることができる。
すヒートパターン図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 チョクラルスキー法によりシリコン単結
晶を製造する方法において、高温の酸化性雰囲気で熱酸
化処理したときにリング状に発生するOSF発生領域が
結晶中央部で消滅する条件で引き上げたシリコン単結晶
のウェーハに、非酸化性雰囲気で温度900℃以上、1
250℃以下、時間10秒以上の熱処理を施し、その熱
処理時の昇温速度および降温速度を1℃/秒以上とする
ことを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの製造方法。 - 【請求項2】 請求項1において、シリコン単結晶ウェ
ーハの引上げ速度(結晶成長速度)が0.5mm/mi
n以下であることを特徴とするシリコン単結晶ウェーハ
の製造方法。
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JP09772795A JP3252386B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | シリコン単結晶ウェーハの製造方法 |
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JP09772795A JP3252386B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | シリコン単結晶ウェーハの製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08273991A JPH08273991A (ja) | 1996-10-18 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|---|
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CN106087065A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-11-09 | 西安华晶电子技术股份有限公司 | 一种多晶硅铸锭用退火工艺 |
-
1995
- 1995-03-29 JP JP09772795A patent/JP3252386B2/ja not_active Expired - Fee Related
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